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火星探测器|第一次挑战就上最高难度，为什么中国不能缺席火星竞赛( 二 )


目前 ， 天问一号已运抵海南文昌发射场 ， 长征五号遥四运载火箭也于7月16日垂直转运至发射区 ， 中国首次自主火星探测任务蓄势待发 。
中国火星探测任务蓄势待发 ， 巨大的整流罩内是中国首颗火星探测器“天问一号” 图片来源：国家航天局
不出意外 ， 天问一号将于7月23日发射升空 ， 旨在完成“绕、落、巡”三阶段探测任务 。 如果成功 ， 中国将成为全球第一个首次探索火星就一举完成火星着陆的国家 。
天问一号的三大任务五大目标从地球到火星 ， 是一段遥远而危险的旅途 。
简单来说 ， 八大行星绕太阳公转形成八大环形轨道 ， 地球位于三环 ， 火星位于四环 。
可是哪怕在窗口期出发 ， 火星探测器也没有能力跨越5000万公里 ， 直接从三环切入四环 ， 为了节省燃料 ， 它必须沿着一条名为“霍曼转移轨道”的星际航路无动力飞行数月前往火星 。
火星探测器通过“霍曼转移轨道”从地球抵达火星 图片来源：NASA
这段旅途 ， 大约是5.93亿公里 ， 比地球到月球的行程长1543倍 。
如果说人类到月球就像开车去家附近100米左右的加油站 ， 那么到火星就是去150公里开外的另一座城市 。
包括燃料在内 ， 天问一号探测器总重5吨 ， 由轨道环绕器、着陆器、火星车组成 ， 协力完成“绕、落、巡”三大任务 。
天问一号探测器
首先 ， 探测器与火箭分离 ， 进入霍曼转移轨道 ， 经过大约7个月飞行 ， 通过地面控制变轨修正 ， 在与火星轨道相切的位置点火减速 ， 直到被火星引力捕获 。 探测器通过变轨调整到火星停泊轨道 ， 开始绕火飞行；
这段绕火飞行将持续两个月左右 ， 直到探测器摸清理想着陆位置后降轨 ， 轨道环绕器与搭载火星车的着落器分离后 ， 升轨进入火星中继通信轨道 ， 环绕火星展开为期一个火星年（687个地球日）的科学观测 ， 同时为火星车提供中继通信；
着陆器与轨道环绕器分离后 ， 将运用降落伞和反推火箭等装置多级减速缓冲 ， 最终软着陆在火星表面的乌托邦平原 ， 释放出火星车 ， 开始巡视和科学探测 。
?天问一号降落火星模拟动画
天问一号的火星车由太阳能驱动 ， 240千克的重量大约是玉兔2号的两倍 。 按照计划 ， 它将在火星上工作90个火星日 。
如果一切顺利 ， 天问一号预计2021年2月11日-24日进入火星轨道 ， 4月23日在乌托邦平原着陆 。
核心期刊《自然天文学》在7月13日披露了天问一号火星探测任务的五大核心科学目标：探查火星地貌和地质构造；分析火星土壤特征 ， 寻找水冰分布；分析火星表面物质成分；调查火星大气与气候；探测火星电磁场、重力场等物理场 。
火星软着陆为什么是鬼门关在这段步步惊心的旅程中 ， 最著名的一道鬼门关就是离轨着陆 。
从进入火星大气层到成功着陆 ， 大约只需要7分钟 ， 可是人类现有44次火星探测任务中 ， 只有9次安然度过“恐怖7分钟” ， 火星历来都是着陆器“坟场” 。
在火星上着陆 ， 需在7分钟内将速度从每小时2.1万公里降至零 ， 火星大气密度只有地球的1% ， 非常不利于整个降速过程 。
就算着陆器完美实施了气动减速、降落伞减速、反推火箭减速等多个减速动作 ， 成功还是要靠火星老天爷赏脸——火星地表沙尘暴非常暴烈 ， 一旦发生全球沙尘暴 ， 破坏力是地球12级台风的6倍 。
NASA洞察者号着陆火星动画模拟
地球火星之间距离遥远 ， 通信延时最多可达23分钟 ， 一旦遇到突发问题 ， 只能靠机载计算机自行调整着陆器的降落姿态和调整时机 ， 遗憾的是 ， 计算机还远远不够聪明 。
2016年 ， 欧空局ExoMars火星探测任务的Schiaparelli着陆器 ， 就在着陆时遭到狂风猛烈袭击 ， 剧烈的钟摆运动让高度传感器突然指向地平线 ， 机载计算机误以为着陆器已经降落 ， 于是提前关闭了反推火箭——尽管降落伞已经展开 ， Schiaparelli着陆器还是以299公里的时速坠入冰冷的火星表面 。


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